專利名稱：土壤治理用的復合材料及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種農業用的土壤治理復合材料，具體講是具有吸水/保水功能，并
作為可進一步負載解磷菌、固氮菌等微生物載體的功能復合材料，以及該材料的制備方法。
背景技術：
高吸水保水材料通常是一種含有羧基、羥基等強親水基團并具有一定交聯度的功 能高分子材料，它不溶于水，卻具有很高的吸水、保水能力，目前已廣泛應用于醫療衛生、農 業園林、石油化工、土木建筑等領域中。如李麗等人在"天然高分子吸水材料的制備工藝與 性能評價"(《材料科學與工藝》[J]. 2006， 14(5) :470-477)中報道了將以淀粉接枝丙烯酸、 丙烯酸酯、醋酸乙烯酯、丙烯酸胺等制備的高吸水材料應用在農林園藝方面，可具有較高的 吸水率。但是其在制備工藝、生產成本及環保方面尚存在問題。此外，作為當前高吸水保水 材料主流產品的丙烯酸類聚合物，其生物分解性差，對生態環境具有很大的不利影響，而其 制備原料則又依賴于日益緊張和枯竭的石油資源，因而越來越不被人們所接受。研究和開 發可生物降解型、環境友好型高吸水保水材料已日益受到重視。 纖維素是地球上存在量最大的天然高分子物質，價格低廉，在水中可以吸水溶脹， 可用作吸水材料，尤其是其具有優良的生物降解性能，且降解產物環境友好。目前已有將纖 維素通過醚化、酯化、交聯、接枝共聚等方法制備高吸水材料的報道，特別是將纖維素制備 成羧甲基纖維素后，再經交聯制成的高吸水材料，其吸水率適中，吸水速度快，在自然界中 可自發降解。 殼聚糖是一種聚陽離子多糖，常由甲殼素經脫乙酰化而得，具有良好的生物相容 性和降解性。在制備高吸水材料方面有廣闊的前景。 由羧甲基纖維素和殼聚糖制備的復合材料薄膜，利用其在透氣性、可負載藥物及 有利于組織細胞生長等生物學方面的特殊性能，在醫療材料中作為組織引導再生膜的應用 目前已有研究和報道。 另一方面，為滿足植物或農作物生存、生長所需的氮、磷等營養元素，工業化肥一 直被認為是農業生產中實現這一目的的主要途徑。但隨著化肥用量的增大，其如成本高，對 非再生能源消耗大，污染空氣、土壤及水質，危害農牧業等食品安全，破壞土壤結構及微生 物區系及多樣性等負面影響已日益明顯。隨著對環境保護的要求、對非再生資源危機的認 識以及對持續農業重要性的理解，尋求其他肥料來源的研究與日倶增。 大氣中氮氣的含量接近80%，但大多數植物并不能直接吸收利用。而如自生固 氮菌等微生物則能通過體內固氮酶的活動，將空氣中分子形態的氮素固定并轉變成能為生 物體直接利用的氨態氮，即所謂的生物固氮。磷和氮素一樣，在植物的能量轉換、呼吸及光 合作用等代謝活動中都起關鍵作用。但是現有研究顯示，施入土壤中的磷肥的利用率僅為 20%左右，絕大部分的磷都被土壤固定形成了難溶性磷化物。因此，提高土壤中固氮微生物 數量及磷的利用率，對植物生長具有重要的作用。大量研究證明，將解磷菌接種于土壤，利 用其生長繁殖所產生的有機酸，可以將土壤中難溶性磷化物分解轉化為可溶性磷，能大幅度提高土壤中速效磷含量，從而改善作物的磷素營養。而且解磷菌對固氮菌的繁殖和固氮 活性之間也有著明顯的促進作用，且固氮菌對解磷菌的萌發和水溶性磷的形成同樣也存在 著關鍵的生物學效應。但實際應用中，由于土壤中缺少這些微生物的有效載體，因此難以發 揮其應有和最大的作用和功效，且所施放和/或形成的肥料成分也容易隨水而流失，難以 起到改善土壤結構、增加土壤肥力和提高對植物的營養及促生長的作用。
發明內容
針對上述情況，本發明將提供一種能具有吸水/保水功能，并還可以作為能進一
步負載解磷菌和/或固氮菌等微生物的載體，因而可用于土壤治理的功能高分子材料。在
此基礎上，本發明進一步還將提供該土壤治理用復合材料的制備方法。 本發明土壤治理用的復合材料，是由質量比為0.5 9.5 : 1、優選為4 9 : 1
的羧甲基纖維素或其鈉鹽成分與殼聚糖交聯所成的具有貫通性孔隙結構的多孔復合材料，
孔隙的平均孔徑為20 200iim，孔隙中吸儲水分的吸水率為材料自身質量的2000%
8000%。 其中，所說的羧甲基纖維素或羧甲基纖維素鈉鹽，可以是由各種來源形式的纖維 素，如由常見的麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等原料得到的纖維素，經羧基化改性處理(可參考如 CN03117504. X等文獻的改性方法)，特別是使改性后羧甲基纖維素的取代度大于0. 6的羧 甲基纖維素(或鈉鹽)。其結構上帶有的更多羧基，有利于提高其親水、吸水和保水性能。
所說的殼聚糖，通常是由甲殼素經脫乙酰化而得到的一種聚陽離子多糖，具有良 好的生物相容性、降解性和吸水性。實驗顯示，甲殼素的脫乙酰度越高，相應的殼聚糖越 易溶于水。因此本發明上述復合材料中所使用的殼聚糖，優選采用的是包括脫乙酰度為 70% 100%的殼聚糖，以及相應的進一步由羧甲基、羧乙基，羥乙基，羥丙基等取代形式的 殼聚糖。其中取代基鏈越長，吸水效果越差，優選的是羧甲基殼聚糖，或者如N-乙酰化殼聚 糖，N-丙酰化殼聚糖等常用的水溶性殼聚糖。 由于羧甲基纖維素(或鈉鹽)為陰離子聚合物，殼聚糖為陽離子聚合物，且兩種聚
合物分子鏈上均含有大量的如羥基、氨基、乙酰氨基等親水基團。試驗結果顯示，本發明上
述復合材料中由羧甲基纖維素(或鈉鹽)與殼聚糖交聯組成的結構鏈上的羧基，氨基，羥基
等親水基團越多，其吸水/保水的性能越強、越好，并且可以通過適當調整其含量比例，使
本發明該復合材料實現和滿足實際所需要的吸水/保水及相關的性能。 上述所說的多孔復合材料，不僅具有優良的吸水/保水功能，還可以成為能較高
密度地負載解磷菌、固氮菌等微生物的載體。將常用的具有解磷作用的解磷菌和/或具
有固氮作用的固氮菌，如芽孢桿菌、假單胞桿菌、土壤桿菌等解磷菌，和或如根瘤菌、固氮螺
菌、糞產堿菌等固氮菌直接接種在上述的復合材料中。解磷菌和/或固氮菌的接種量一般
并無過多要求，可視土壤情況和需要而定，例如，其各自接種量的優選范圍可以達2億個/
克。本發明復合材料中的大量貫通孔隙式網狀結構為微生物繁殖提供了三維的立體空間， 有利于微生物粘附于其上順利地生長繁殖并相互作用。本發明的復合材料因此也進一步成 為了負載有解磷和/或固氮菌的微生物吸水保水復合材料。 在復合材料上接種解磷菌和/或固氮菌等微生物，在目前應屬于是成熟的技術。 所說解磷菌和/或固氮菌，包括菌種采集，菌種擴大培養等，都可以采用由目前的常規菌種和培養方式得到。具體方法還可參考如丁春梅等人"接種方式對細胞在三維材料中接種率 和分布的影響"(《生物工程學報》[J].2005,21(4) :649-653)中的相關內容。例如，其中的 一種方式，是可在由胰蛋白胨大豆肉湯等普通細菌培養基上接種菌種，置培養箱中25-3(TC 培養1-3天后得到相應的解磷菌和/或固氮菌。 對本發明上述復合材料的制備，可以將所說比例的羧甲基纖維素或其鈉鹽成分與 殼聚糖在pH值2 5、特別優選為pH值約為3和30°C 6(TC條件下，以占總質量比1% 20%，優選為2% 10%的量與水充分混合。在充分混合、共溶的過程中，其分子中的活性 基團間即可充分與羥基接觸、反應并完成相互交聯，使復合物料具有了一定的凝膠強度，形 成澄清透明狀的溶膠體系(粘度一般可為200-5000mPa s)。將完成交聯后的該溶膠體系 物料置于成型模具中，冷卻降溫至-20°〇，使其充分凍凝，然后再經冷凍干燥，即得到所說的 多孔復合材料。 羧甲基纖維素或其鈉鹽成分與殼聚糖的混合共溶的優選方式，是先將其各自制成 為水溶液，然后使兩者的水溶液緩慢混合(例如將殼聚糖溶液緩慢加入到羧甲基水溶液 中)，將有利于兩種成分的均勻充分混合共溶和進行反應。 為保證物料能充分混合反應，常需有充分攪拌的條件，并因此會有空氣混入使反 應物料體系中形成氣泡。試驗顯示，物料體系中的氣泡不會對產品中兩組分的交聯和結合， 以及所得產品的吸水性能構成影響，但反應后的溶膠物料在進行冷凝前，仍以先通過如靜 置等簡便和常用方式去除了體系中存在的氣泡后再進行冷凝為佳。 本發明復合材料的吸水/保水作用，是通過材料中的親水基團和所具有的貫通性 孔隙的交聯多孔結構實現的。試驗顯示，羧甲基纖維素(或鈉鹽)與殼聚糖在充分混合共溶 時，殼聚糖的用量比例過大，會使所形成的網絡結構相對過于密實，結構中的羥基和羧基等 親水基團受到束縛，不利于復合材料的吸水率和保水率的提高。如果羧甲基纖維素(或鈉 鹽)的用量比例過高，則由于其與殼聚糖間的交聯點過少，交聯度偏低，形成的網絡結構過 于松散，除復合材料吸水后難以維持一定的形狀和凝膠強度外，復合材料中可溶成分增加， 也會使其吸水能力明顯下降。 實驗顯示，上述所說的羧甲基纖維素(或鈉鹽)與殼聚糖混合的pH和溫度范圍， 對于其充分混合共溶并形成所說溶膠體系是有利的。其中，作為調整物料體系PH的調節 劑，優選為甲酸或乙酸等有機酸。 交聯反應后的溶膠體系物料在成型模具中經降溫冷凍處理后，材料中的水分可形 成占位性的冰晶，再經冷凍干燥后，材料中的冰晶在原位升華除去后，即形成所希望的貫通 性孔隙和空洞，通過結構中的羧基，氨基，羥基等親水基團，就可將水吸入并保持在孔隙中。 試驗顯示，在進行降溫冷凍的過程中，適當減慢降溫冷凍速度，可有利于在物料中緩慢形成 均勻的冰晶，有利于在復合材料中最終形成均勻度更為理想的孔隙。因此在上述制備方法 中，進行所說的降溫處理時，可以有多種減慢降溫速度的方式作為優選。例如，可以采用在 20 24小時內由室溫緩慢降至-20°C ，并在-2(rC至少保持12小時的緩慢降溫方式；或是 采用在4t:充分冷卻后，再降溫至-l(TC并至少保持8小時，最后降溫至-201:并至少保持8 小時的梯度降溫方式；或還可以采用在4t:充分冷卻后，再降溫至_201:并至少保持8 12 小時的梯度降溫方式等，都可以取得好的效果。 被充分凍凝后的材料在進行冷凍干燥時，優選的處理溫度是-40 _50°C。例如，使用目前常用的冷凍干燥機凍干3 4天即可完成，其凍干溫度通常可為-40 -S(TC，凍 干壓力10 300Pa壓力。 得到所說的多孔復合材料后，根據不同需要，可以按目前的常規操作方式，將所說 的具有解磷作用的解磷菌和/或具有固氮作用的固氮菌直接接種在該復合材料上。
如上述，纖維素是地球上大量存在的天然高分子物質，價格低廉，并具有優良的生 物降解性能，降解產物環境友好。殼聚糖也是一種具有良好的生物相容性和降解性的材料。 因此，本發明由羧甲基纖維素(或鈉鹽)和殼聚糖經交聯組成的多孔復合材料，可具有良 好的生物相容性，并可作為與解磷菌和固氮菌良好相容并能以較高密度負載的載體。與單 純靠吸附方式負載微生物的目前其它多孔材料相比，本發明復合材料中的貫通孔隙式的網 狀結構能提供更有利于微生物繁殖和相互作用的三維立體空間。因此，本發明的復合材料 作為一種能負載解磷和/或固氮菌的微生物吸水保水復合材料，既能達到吸水/保水功能， 又可具有固定空氣中的游離氮和分解土壤中的難溶性磷化物的效果，與土壤混合，可改善 土壤結構，吸水保水，增加土壤肥力，從而對植物產生明顯的營養及促生長作用，是一種環 境友好型的土壤治理用的復合材料，特別有利于對沙漠化土壤的治理和干旱地區的土壤保 護。與傳統的丙烯酸類高吸水保水材料相比，在提高作物產量和質量，有利于生態環境的循 環利用和可持續發展方面，有著顯著的優越性和重要意義，具有極大的開發價值。
以下結合附圖所示實施例的具體實施方式
，對本發明的上述內容再作進一步的詳 細說明。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實例。在不脫離本發明上 述技術思想情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段做出的各種替換或變更，均應包 括在本發明的范圍內。
圖1是由羧甲基纖維素與殼聚糖以1 : 1形成的本發明復合材料的掃描電鏡照片。 圖2是圖1復合材料吸水后的倒置相差顯微鏡照片。
具體實施方式
實施例1 羧甲基纖維素鈉4g于6(TC溶于250g去離子水中。殼聚糖(脫乙酰度90% )6g 溶于150g的2X乙酸水溶液后，逐漸加入羧甲基纖維素溶液中，反應3h后得到澄清透明 狀的溶膠體系，靜置去泡，20 24小時內由室溫緩慢降至-20°C，并在-2(rC至少保持 12小時，取出置冷凍干燥機中(-5(TC，10Pa)凍干。去離子水洗至中性后，測其吸水率為 2613. 5±91. 3X，4(TC通風干燥條件下，保水量為40%時保水時間約為3. 5h。所得復合材 料的孔隙率為90% -95%。 所得的多孔復合材料經環氧乙烷滅菌后，同時接種密度分別為1億個/克的假單 胞桿菌和糞產堿菌，培養箱中3(TC下培養1天后離心分離出細菌平板計數，密度為25億個/克。 實施例2 羧甲基纖維素鈉5g于6(TC下溶于250g去離子水中。殼聚糖(脫乙酰度為95X)5g溶于150g的2%甲酸水溶液后，逐漸加入羧甲基纖維素溶膠中，反應3h后得到澄清透明 狀的溶膠體系，靜置去泡，4t:充分冷卻后，再降溫至-l(TC并至少保持8小時，最后降溫 至-2(TC并至少保持8小時，取出置冷凍干燥機中凍干(-45°C， 10Pa)。去離子水洗至中性 后，測其孔隙率為90% _95%，吸水率為1768. 7± 127.6%，4(TC通風干燥條件下，保水量為 40%時保水時間約為3. 5h。復合材料經環氧乙烷滅菌，接種密度為2億個/克的假單胞桿 菌，培養箱中3(TC下培養1天后離心分離出細菌平板計數，密度為23億個/克。
所得復合材料處理的掃描電鏡照片和其吸水后的倒置相差顯微鏡照片，分別如圖 1和圖2所示。圖2中箭頭所指的為形成的水分子中心。
實施例3 羧甲基纖維素6g，6(TC下溶于250g去離子水中，羧甲基殼聚糖4g溶于150g水溶 液中，逐漸加入羧甲基纖維素溶膠中，反應3h后得到澄清透明狀的溶膠體系，靜置去泡，4°C 充分冷卻后，再降溫至-2(TC并至少保持8 12小時，取出置冷凍干燥機中凍干(-5(TC， 8Pa)。去離子水洗至中性后，測其孔隙率為90% _95%，吸水率為2202. 4± 128. 6%，4(TC通 風干燥條件下，保水量為40%時保水時間約為3h。復合材料經環氧乙烷滅菌，同時接種密 度分別為1億個/克的土壤桿菌和糞產堿菌，培養箱中3(TC下培養1天后離心分離出細菌 平板計數，密度為26億個/克。
實施例4 羧甲基纖維素8g，6(TC下溶于250g去離子水中，殼聚糖(脫乙酰度為85X)2g 溶于150g的2%甲酸水溶液中，逐漸加入羧甲基纖維素溶膠中，反應3h后得到澄清透明狀 的溶膠體系，靜置去泡，20 24小時內由室溫緩慢降至_20°C，并在_20°〇至少保持12小 時，取出置冷凍干燥機中凍干。去離子水洗至中性后，測其孔隙率為90% _95%，吸水率為 3357. 9±182. 3%，4(TC通風干燥條件下，保水量為40%時保水時間約為5. 5h。復合材料經 環氧乙烷滅菌，同時接種密度分別為1億個/克的芽孢桿菌和固氮螺菌，培養箱中3(TC下培 養1天后離心分離出細菌平板計數，密度為28億個/克。
實施例5 羧甲基纖維素鈉9g，6(TC下溶于250g去離子水中，殼聚糖(脫乙酰度為80X)lg 溶于150g的2%乙酸水溶液中，逐漸加入羧甲基纖維素溶膠中，反應3h后得到澄清透明
狀的溶膠體系，靜置去泡，4t:充分冷卻后，再降溫至-i(rc并至少保持8小時，最后降溫
至-2(TC并至少保持8小時，取出置冷凍干燥機中凍干。去離子水洗至中性后，測其孔隙率 為90 % -95 % ，吸水率為6676. 0 ± 50. 2 % ， 4(TC通風干燥條件下，保水量為40 %時保水時間 約為6. 2h。復合材料經環氧乙烷滅菌，同時接種芽孢桿菌和糞產堿菌，培養箱中3(TC下培 養1天后離心分離出細菌平板計數，密度為52億個/克。
實施例6 羧甲基纖維素9.5g，6(TC下溶于250g去離子水中，羧甲基殼聚糖lg溶于150g 的2%甲酸水溶液中，逐漸加入羧甲基纖維素溶膠中，反應3h后得到澄清透明狀的溶膠 體系，靜置去泡，20 24小時內由室溫緩慢降至_20°C，并在-2(rC至少保持12小時， 取出置冷凍干燥機中凍干。去離子水洗至中性后，測其孔隙率為90% _95%，吸水率為 5576. 3±81. 1X，4(TC通風干燥條件下，保水量為40%時保水時間約為5. 8h。復合材料經 環氧乙烷滅菌，同時接種假單胞桿菌和固氮螺菌，培養箱中3(TC下培養1天后離心分離出細菌平板計數，密度為32億個/克:
權利要求
土壤治理用的復合材料，其特征是由質量比為0.5～9.5∶1的羧甲基纖維素或其鈉鹽成分與殼聚糖交聯所形成的具有貫通性孔隙結構的多孔復合材料，孔隙的平均孔徑為20～200μm，孔隙中吸儲水分的吸水率為材料自身質量的2000％～8000％。
2. 如權利要求1所述的土壤治理用的復合材料，其特征是所說的羧甲基纖維素或其鈉 鹽成分與殼聚糖的質量比為4 9 : 1。
3. 如權利要求1所述的土壤治理用的復合材料，其特征是所說的殼聚糖為脫乙酰度為 70% _100%的殼聚糖、羧甲基殼聚糖、水溶性殼聚糖中的至少一種。
4. 如權利要求1至3之一所述的土壤治理用的復合材料，其特征是在所說的多孔復合 材料中還接種有具有解磷作用的解磷菌和/或具有固氮作用的固氮菌。
5. 如權利要求4所述的土壤治理用的復合材料，其特征是所說的多孔復合材料上接 種的解磷菌為芽孢桿菌、假單胞桿菌、土壤桿菌；所說的固氮菌為根瘤菌、固氮螺菌、糞產堿 菌。
6. 制備權利要求1所述土壤治理用的復合材料的方法，其特征是將所說比例的羧甲 基纖維素或其鈉鹽成分與殼聚糖在pH值2 5和溫度30°C 6(TC條件下，以占總質量比 1 %到20%的量與水充分混合形成澄清透明狀的溶膠體系后，將其置于成型模具中，降溫 至-2(TC充分凍凝，然后經冷凍干燥，得到多孔復合材料。
7. 如權利要求6所述的制備方法，其特征是所說的羧甲基纖維素或其鈉鹽成分與殼聚 糖充分混合形成所說溶膠體系時的PH值約為3。
8. 如權利要求6所述的制備方法，其特征是所說羧甲基纖維素或其鈉鹽成分與殼聚糖 充分混合形成所說溶膠體系時的PH調節劑為甲酸或乙酸。
9. 如權利要求6所述的制備方法，其特征是所說的去除了氣泡并置于成型模具中的 溶膠體系物料的降溫，采用在20 24小時內由室溫緩慢降至-2(TC，并在-2(TC至少保持 12小時的緩慢降溫方式；或是采用在4t:充分冷卻后，再降溫至-l(TC并至少保持8小時， 最后降溫至_201:并至少保持8小時的梯度降溫方式；或是采用在4t:充分冷卻后，再降溫 至-2(TC并至少保持8 12小時的梯度降溫方式。
10. 如權利要求6至9之一所述的制備方法，其特征是在冷凍干燥后得到的多孔復合材 料上接種所說的具有解磷作用的解磷菌和/或具有固氮作用的固氮菌。
全文摘要
土壤治理用的復合材料及制備方法。該治理材料為由質量比為0.5～9.5∶1的羧甲基纖維素或其鈉鹽成分與殼聚糖交聯所成的具有貫通性孔隙的多孔復合材料，孔隙的平均孔徑為20～200μm，孔隙中吸儲水分的吸水率為材料自身質量的2000％～8000％。制備時將羧甲基纖維素或其鈉鹽與殼聚糖在pH2～5和30～60℃下與水混合形成澄清透明狀的溶膠體系，置于成型模具中，降溫至-20℃充分凍凝，冷凍干燥后得多孔復合材料。該材料上還可直接接種解磷菌和/或固氮菌。該材料具有吸水/保水和較高密度負載解磷菌/固氮菌等微生物的功能、良好的生物相容性和可生物降解性，降解產物對環境無害，能進入生態環境被循環利用，與土壤混合可改善土壤結構，吸水保水和增加土壤肥力。
文檔編號C12N11/10GK101705099SQ20091021625
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月20日 優先權日2009年11月20日
發明者侯憲文, 張利, 李勤奮, 李玉寶, 鄧曉, 黃棣 申請人:中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所;四川大學